CN108333673A - 一种异质分段包层大模场单模光纤 - Google Patents

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    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers

Abstract

本发明涉及一种异质分段包层大模场单模光纤，是一种全新的大模场单模光纤，该光纤包层由两种材料组成，一种包层材料折射率小于纤芯材料折射率，纤芯中的光在该段纤芯和包层界面上发生全反射，不会泄露光信号；另一种包层材料折射率大于纤芯材料折射率，纤芯中的光在该段纤芯和包层界面上不发生全反射，纤芯中的光信号会泄漏到包层中去；本发明对于不同材料的光纤、不同发光波长的光纤均实用；并且光纤参数设计灵活，泄漏损耗可控，纤芯直径可以灵活调节，制备相对简单，提供了一种较好的大模场单模光纤的解决方案。

Description

一种异质分段包层大模场单模光纤
技术领域
本发明涉及一种异质分段包层大模场单模光纤，属于特种光纤技术领域。
背景技术
大模场单模光纤一直是光纤领域的研究热点，目前商业化的大模场单模光纤的纤芯直径不超过30微米，而纤芯直径大于100微米的大模场单模光纤一般结构复杂，难以制备，价格也十分昂贵，难以大规模使用；增益导引-折射率反导引光纤虽然模场直径很大，但是由于泄露损耗存在，导致光功率损耗系数太高。通过光纤的V平方参数来设计大模场光纤虽然简单，但是由于受到光纤材料物理极限的限制，最大纤芯直径也难以超过50微米，这远远不能满足目前光纤激光技术的发展需求。为了进一步提高单模光纤的纤芯直径，只能通过设计特殊的光纤结构来过滤高阶模来实现，这是目前主流的大模场单模光纤的开发思路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效解决单模光纤模场面积受限问题的异质分段包层大模场单模光纤。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种异质分段包层大模场单模光纤，包括纤芯，以及至少一个第一包层和至少一个第二包层；其中，第一包层的数量与第二包层的数量相等；各个第一包层与各个第二包层均为扇形截面的条状包层，各个第一包层的长度、各个第二包层的长度均与纤芯的长度相等；各个第一包层的两端、各个第二包层的两端均分别与纤芯的两端相对应，且各个第一包层的两端、各个第二包层的两端分别与纤芯的对应端面相共面，各个第一包层与各个第二包层以其端面彼此相间隔、环绕于纤芯一周，且各个第一包层、各个第二包层均沿纤芯中心线的轨迹设置于纤芯表面，并均与纤芯表面相接触，相邻第一包层与第二包层以其邻边相对接；第二包层折射率n3≤纤芯折射率n1＜第一包层折射率n2。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各个第一包层、各个第二包层均由玻璃材料制成。
作为本发明的一种优选技术方案：所述纤芯不具有光功率增益性能。
作为本发明的一种优选技术方案：所述纤芯具有光功率增益性能。
作为本发明的一种优选技术方案：所述具有光功率增益性能的纤芯的稀土掺杂离子主要包括Yb3+、Nd3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、Pr3+、Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+各种可以发光的稀土离子。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各个第一包层和各个第二包层采用光子晶体光纤有效折射率设计原则进行设计，其中，各个第一包层中分别规则排列一系列贯穿其两端的空气孔，且各个第一包层上的各个空气孔中均填充折射率大于第一包层自身折射率的玻璃材料；各个第二包层中分别规则排列一系列贯穿其两端的空气孔。
本发明所述一种异质分段包层大模场单模光纤采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计的异质分段包层大模场单模光纤，是一种全新的大模场单模光纤，该光纤包层由两种材料组成，一种包层材料折射率小于纤芯材料折射率，纤芯中的光在该段纤芯和包层界面上发生全反射，不会泄露光信号；另一种包层材料折射率大于纤芯材料折射率，纤芯中的光在该段纤芯和包层界面上不发生全反射，纤芯中的光信号会泄漏到包层中去；本发明对于不同材料的光纤、不同发光波长的光纤均实用；并且光纤参数设计灵活，泄漏损耗可控，纤芯直径可以灵活调节，制备相对简单，提供了一种较好的大模场单模光纤的解决方案。
附图说明
图1是本发明所设计异质分段包层大模场单模光纤的端面示意图；
图2是本发明所设计异质分段包层大模场单模光纤端面的应用示意图。
其中，1.纤芯，2.第一包层，3.第二包层。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明设计了一种异质分段包层大模场单模光纤，实际应用中，具体包括纤芯1，以及至少一个第一包层2和至少一个第二包层3；其中，第一包层2的数量与第二包层3的数量相等；各个第一包层2与各个第二包层3均为扇形截面的条状包层，各个第一包层2的长度、各个第二包层3的长度均与纤芯1的长度相等；各个第一包层2的两端、各个第二包层3的两端均分别与纤芯1的两端相对应，且各个第一包层2的两端、各个第二包层3的两端分别与纤芯1的对应端面相共面，各个第一包层2与各个第二包层3以其端面彼此相间隔、环绕于纤芯1一周，且各个第一包层2、各个第二包层3均沿纤芯1中心线的轨迹设置于纤芯1表面，并均与纤芯1表面相接触，相邻第一包层2与第二包层3以其邻边相对接；第二包层3折射率n3≤纤芯1折射率n1＜第一包层2折射率n2。
对于上述技术方案，实际应用中，针对各个第一包层2和各个第二包层3，这里进一步设计采用玻璃材料制成，并且在实际应用中，对于其中纤芯1的设计，可以设计不具有光功率增益性能，也可以设计具有光功率增益性能，其中，具有光功率增益性能的纤芯的稀土掺杂离子主要包括Yb3+、Nd3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、Pr3+、Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+等各种可以发光的稀土离子。
基于上述所设计技术方案，如图2所示，进一步针对上述各个第一包层2和各个第二包层3具体设计结构：所述各个第一包层2和各个第二包层3采用光子晶体光纤有效折射率设计原则进行设计，其中，各个第一包层2中分别规则排列一系列贯穿其两端的空气孔，且各个第一包层2上的各个空气孔中均填充折射率大于第一包层2自身折射率的玻璃材料；各个第二包层3中分别规则排列一系列贯穿其两端的空气孔，并使得整个所设计的异质分段包层大模场单模光纤中，第二包层3有效折射率≤纤芯1折射率n1＜第一包层2有效折射率。
实际应用中，对于上述所设计异质分段包层大模场单模光纤的生产，基质材料的选择可以在磷酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、石英玻璃、硫系玻璃和硅酸盐玻璃等各种光纤材料中进行选择，只要满足第二包层3折射率n3≤纤芯1折射率n1＜第一包层2折射率n2的约束条件即可。
将上述所设计异质分段包层大模场单模光纤技术方案，应用到实际当中，以如下三个实施例进一步描述应用。
实施例1，纤芯1、第一包层2和第二包层3均由磷酸盐玻璃材料做成，纤芯掺杂Yb3+，发射激光波长为1.064μm，纤芯1、第一包层2和第二包层3的折射率分别为n1、n2和n3，且满足关系式：n3≤n1＜n2，纤芯1直径为50微米，第一包层2、第二包层3分别与纤芯1的半径比例为2:1，第一包层2和第二包层3的个数各为3个，且在纤芯1周围的圆周占比相同，相间对称分布。高阶模的泄漏损耗系数大，模式阶数越高泄漏损耗系数越大，基模的泄漏损耗系数最小，当纤芯1的增益系数大于基模的损耗系数，且小于高阶模的泄漏损耗系数时，可以保证基模得到放大传输，而高阶模被过滤，从而达到大模场单模的目的。
实施例2，纤芯1、第一包层2和第二包层3均由锗酸盐玻璃材料做成，纤芯掺杂Tm3+，发射激光波长为2.0μm，第一包层2采用光子晶体光纤设计的原理，在第一包层2中规则排列一系列的空气孔，但是在空气孔中填充高折射率的玻璃材料，从而实现第一包层2的有效折射率高于纤芯。第二包层3也采用光子晶体光纤设计的原理，在第二包层3中规则排列一系列的空气孔，从而实现第二包层3的有效折射率低于纤芯。纤芯1直径为100微米，第一包层2、第二包层3分别与纤芯1的半径比例为3:1，第一包层2和第二包层3的个数各为4个，且在纤芯1周围的圆周占比相同，相间对称分布。纤芯1、第一包层2和第二包层3的有效折射率分别为n1、n2和n3，且满足关系式：n3≤n1＜n2，实现高阶模的泄漏损耗系数大，模式阶数越高泄漏损耗系数越大，基模的泄漏损耗系数最小，当纤芯的增益系数大于基模的损耗系数，且小于高阶模的泄漏损耗系数时，可以保证基模得到放大传输，而高阶模被过滤，从而达到光纤的大模场单模效果。
实施例3，纤芯1、第一包层2和第二包层3均由石英材料做成，纤芯不掺杂，没有光功率增益特性，纤芯1、第一包层2和第二包层3的折射率分别为n1、n2和n3，且满足关系式：n3≤n1＜n2，纤芯1直径为50微米，第一包层2、第二包层3分别与纤芯1的半径比例为4:1，第一包层2和第二包层3的个数各为3个，且在纤芯1周围的圆周占比相同，相间对称分布。高阶模的泄漏损耗系数大，模式阶数越高泄漏损耗系数越大，基模的泄漏损耗系数最小，当光从光纤的一端耦合输入时，经过一段传输距离后高阶模被滤除，从而纤芯内只保留单模传输。
上述技术方案所设计的异质分段包层大模场单模光纤，是一种全新的大模场单模光纤，该光纤包层由两种材料组成，一种包层材料折射率小于纤芯材料折射率，纤芯中的光在该段纤芯和包层界面上发生全反射，不会泄露光信号；另一种包层材料折射率大于纤芯材料折射率，纤芯中的光在该段纤芯和包层界面上不发生全反射，纤芯中的光信号会泄漏到包层中去；本发明对于不同材料的光纤、不同发光波长的光纤均实用；并且光纤参数设计灵活，泄漏损耗可控，纤芯直径可以灵活调节，制备相对简单，提供了一种较好的大模场单模光纤的解决方案。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种异质分段包层大模场单模光纤，其特征在于：包括纤芯(1)，以及至少一个第一包层(2)和至少一个第二包层(3)；其中，第一包层(2)的数量与第二包层(3)的数量相等；各个第一包层(2)与各个第二包层(3)均为扇形截面的条状包层，各个第一包层(2)的长度、各个第二包层(3)的长度均与纤芯(1)的长度相等；各个第一包层(2)的两端、各个第二包层(3)的两端均分别与纤芯(1)的两端相对应，且各个第一包层(2)的两端、各个第二包层(3)的两端分别与纤芯(1)的对应端面相共面，各个第一包层(2)与各个第二包层(3)以其端面彼此相间隔、环绕于纤芯(1)一周，且各个第一包层(2)、各个第二包层(3)均沿纤芯(1)中心线的轨迹设置于纤芯(1)表面，并均与纤芯(1)表面相接触，相邻第一包层(2)与第二包层(3)以其邻边相对接；第二包层(3)折射率n3≤纤芯(1)折射率n1＜第一包层(2)折射率n2。
2.根据权利要求1所述一种异质分段包层大模场单模光纤，其特征在于：所述各个第一包层(2)、各个第二包层(3)和纤芯(1)均由玻璃材料制成。
3.根据权利要求2所述一种异质分段包层大模场单模光纤，其特征在于：所述纤芯(1)不具有光功率增益性能。
4.根据权利要求2所述一种异质分段包层大模场单模光纤，其特征在于：所述纤芯(1)具有光功率增益性能。
5.根据权利要求4所述一种异质分段包层大模场单模光纤，其特征在于：所述具有光功率增益性能的纤芯(1)的稀土掺杂离子主要包括Yb3+、Nd3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、Pr3+、Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+各种可以发光的稀土离子。
6.根据权利要求2所述一种异质分段包层大模场单模光纤，其特征在于：所述各个第一包层(2)和各个第二包层(3)采用光子晶体光纤有效折射率设计原则进行设计，其中，各个第一包层(2)中分别规则排列一系列贯穿其两端的空气孔，且各个第一包层(2)上的各个空气孔中均填充折射率大于第一包层(2)自身折射率的玻璃材料；各个第二包层(3)中分别规则排列一系列贯穿其两端的空气孔。
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